JPH02503115A - デファレンシャルエリプソメーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 デファレンシャルエリプソメーター 皮丘五■ 本発明はデファレンシャルエリプソメーターに関し、さらに詳しくは２以上のサ ンプル領域間における複素振幅反射率（あるしλは有効複素屈折率）の比率の差 を測定するエリプソメーターに関する。このデファレンシャルエリプソメーター は、透過あるしＡは反射モードのどちらでも使用できる。

五且技歪 偏光解析法は、光の偏光状態を決定するために使用される。偏光ビームが光学装 置と相互作用を起こすときは、そのビームの偏光状態はその光学装置によって変 化させられる。偏光の初期状態と最終状態の慎重な測定により、光学装置の特性 が考察のもとに得られる。これは偏光解析法の一般的な用途である０本発明に特 に関連することは、小さなサンプル領域の有効複素屈折率を測定することに対す る偏光解析法の用途である。

分子線エピタキシーによる結晶材料のエピタキシャル成長の間に存在する状況で は、その結晶表面は清浄であり、酸素及び他の汚染層によって影響を受けない、 このような状況下では、汚染物質の複雑な影響を受けることなく、材料の光学特 性を測定することが可能である。これに加えて、多くの材料に対しては、屈折率 が組成比率で変化し、それゆえ材料の組成を測定するために偏光解析法を用いる ことができる。これは化合物の分子線エピタキシャル成長の場合に大変有益であ る。低エネルギーギャップの半導体材料であるテルル化水銀カドミウム（Ｃｄｘ Ｈｇｒ−１１ＴＩＢＩがこのような材料である。ここで”Ｘ”は、その合金中の テルル化カドミウムのモル分率である。

に薄い単一の結晶層の形で作られる。この層に必要な組成は、その装置が作動す る予定の赤外線スペクトル領域で決定される。装置の製造が経済的に実行可能な ように、その装置が製造される範囲にわたってその層の組成が高い均一性で制御 されることが重要である。様々なエピタキシャル成長方法がテルル化水銀カドミ ウムの単一結晶層を成長させるのに使用される。我々が知る方法は全て、約２ｃ ｍの距離にわたりテルル化カドミウムのモル分率が０．００１よりも大きくなる よう組成が変化する薄膜を製造するものである。

エピタキシャル層の組成の均一性を制御する方法がオーストラリア特許出願第６ １９５１８６号の主題である。その出願においては、エリプソメーターがフィル ムの表面上のある点における組成に関する情報を提供する。この情報は、引き続 いてその点で成長するフィルムの組成を制御するために、閉じたループシステム で使用される。エリプソメータービームをフィルム全体に走査するような様々な 手段によって、いかなる数の位置におけるフィルムの組成も監視され、従って制 御され、さらにそのフィルムの均一性が確保される。

その特許出願の成長方法において、もし組成情報が偏光解析法によって得られた 場合は、組成が制御されるべきフィルム上の各点において、サンプル周期毎に１ 回のフーリエ変換を行う必要がある。必要な測定精度を得るために、そのフーリ エ変換は多くのサンプルデータを用いなければならない、このような変換は計算 に時間がかかり、フィルム上で監視できる位置の数あるいは監視できる周波数を 制限する０分子線エピタキシーによるテルル化水銀カドミウムのエピタキシャル 成長の場合においては、少なくとも１０２４個のサンプルデータな使用するフー リエ変換がフィルム上で対象としている全ての点に対して各秒ごとに行わなけれ ばならない、これには何千という変換が各秒毎に実行される必要がある。このレ ベルの能力を達成するのに必要な計算能力は、非常にコストが高く、それゆえ、 そのフィルム表面全体の組成情報を得るために必要な計算数及び計算の複雑さを 減少させることが望ましい。

そのフィルム表面全体の組成における小さな変化量に対して、微分測定技術を使 用することができる。これら微分値は、少なくともそれらの点の１つが絶対値と して測定されたならば、絶対値に変換することができる。必要な最終結果の正確 度がどのようなものであっても、その微分測定は絶対測定よりも低い精度で行な ってもよい、従って、その微分測定はより小さなサンプルデータ数のフーリエ変 換を使用することができる。高速フーリエ変換の計算時間は、変換されるデータ 数にほぼ比例するので、必要なデータ数の低減は計算時間を同じ比率だけ減少さ せる。この微分方法を使用すれば、かなりの計算時間の節約が達成できる。

特許第５Ｕ１２２６０４２Ａ号は、露出、被覆、及び交互につぎはぎされた試料 について両軸屈折パターン測定のためにエリプソメーターを使用することにより 基板上のフィルム厚さを測定することを教示している。このフィルム厚さは、波 長、入射角、及びフレネル係数から派生するバラメークに関する公式によって与 えられる。

特許第ＳＵＩ　２８８５５８Ａ号は、２つのバンド値の範囲内で偏光方位角を変 化させ、信号最小値に注目することによる材料偏光解析測定を教示している。欧 州特許出願公告第０１０２４７０号は、炉の中に配置されたフィルムの厚さを測 定するための偏光解析測定装置を教示している。複数の基板が炉のなかに配置さ れ、レーザービームが１つの基板から他の基板に反射し、その後で炉の外側にあ る受取り装置へ反射する。

「反射及び透過偏光解析法を４５度の入射角で組み合わせることによる複素屈折 率及び非支持あるいは埋込み薄膜の厚さの簡便な直接決定法Ｊ　（ｂｙ　Ｒ，Ｍ 、Ａ、　Ａｚｚａｍ　、Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　０ｐｔｉｃａｌＳｏｃ ｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ、Ｖｏｌｕｉｅ　７３．Ｎｏ、　８７Ａｕｇ、 　’８３　Ｐａｇｅｓ　１０８０．１０８１　ａｎｄ　１０８２）は、同じ既知 の屈折率の透過物質を画境界面に有する薄膜の複素屈折率及び厚さの直接決定法 を述べている。

本発明の目的は、表面における２点以上の間の反射振幅の複素数比の微分測定方 法を提供し、少な（とも１点以上の反射振幅の複素数比の絶対測定方法を提供す ることである。

それゆえ、本発明による、表面上の成長を測定する方法は、その表面から光線を 反射させるステップ、その表面全体に光線を走査しあるいは延長するステップ、 及びその表面のある領域（基準点）から得られるビームに関する偏光解析情報を 、その表面の他の点からの光線に関する偏光解析情報と比較するステップを包含 している０本発明をさらに完全に記載するために、添付図面が参照される。

区血！１１１社諷朋 第１図は、入射及び反射ビームの概略図である。

第２図は、入射及び反射ビームのＰ及びＳ成分の概略図である。

第３図は、基板におかれたフィルムと偏光解析測定ビームとの関係を示した概略 図である。

第４図は、測定原理の概略図である。

ましい　　　の舌日 どんな入射光線の波でも、その電場ベクトルＥＰ及びＥ、が入射平面に平行（Ｐ ）あるいは垂直（Ｓ）に振動する２つの独立した成分の和として考えることがで きる０表面との相互作用は第１図に概略を示したようにＰ及びＳ成分に全く異な った影響を及ぼす、これは第２図でさらに詳しく示されており、その入射ビーム は、位相及び振幅が等しいＰ及びＳ成分で直線偏光されている０反射後は、出力 ビームのＰ及びＳ成分の振幅はもはや等しくなく、それらの間で位相に差が生じ ている。

偏光解析測定では、複素振幅反射率比ρを測定する。入射Ｐ及びＳ成分が等しい 振幅であれば、ρ＝ｒ　ｐ　／　ｒ　ｓとなり、ここでρ　＝　ｔａｎψｅｘｐ 　（ｉΔ） それゆえ、ｔａｎψ”　ｒ　ｐ　／　ｒ　＊　＊Δ＝δ、−δ、となる。

ｔａｎψは反射によって生じた振幅比の変化であり、Δは反射Ｐ及びＳの間の位 相差である。ＰおよびＳの位相のずれδ２及びδ、は測定が非常に困難であるが 、それらの位相差Δは容易に決定できる。

第３図を参照して、基板１３がその上にフィルム１４を有しており、その上へ光 線１５が入射角θで進入し、基準点１からフィルムを反射して光学部品１１へ反 射し、その光学部品１１は同じ入射角でフィルム上の第２の点２へ光線を戻すよ うに選択され、ＰおよびＳの直線偏光状態が入れ替わる。もしフィルム上の２点 の各々で有効複素屈折率が同じであれば、２つの点からの反射後のビームの偏光 状態は、反射前のビームの偏光状態と同じであるはずである。もしフィルムの２ つの点での有効複素屈折率がほぼ同じであるならば、ビームの偏光状態の変化に は、求めている異なった情報が含まれているが、ビームの偏光状態の実質的な変 化は反射前と反射後の偏光状態を比較することによって明らかとなる。出力ビー ム７を入射ビーム３の一部と干渉させるように（ビームスプリッタ−１Ｏと光学 部品１２を経由し、光路４及び８を通って）導くことにより偏光状態のこの実質 的変化に関する情報が測定及び解析のための単一ビ、−ム９に存在することにな る。

この方法はまた、差の情報が最後の出力ビーム９から得られる方法に関する。Ｐ 及びＳ成分に対する複素反射率の比は普通は、ρ（ρ＝　ｒ　ｐ　／　ｒ　ｓ　 ） となる、ρは完全に有効複素屈折率を特定し、従って最終出力ビーム９から高い 精度で差の情報を得るためには、ρにおける差の変化を測定することで十分であ る。ρは複素数であるので、２つの差（例えば位相の１つと振幅の１つが適当） が必要であるが、他の選択が可能であることは明らかである。

第４図は上で述べたような測定の原理を示した概略図である。

ρ１は基準点１で測定されたものであり、ρ言よ他の点２で測定されたものであ る６位相差の測定はδΔとして示され、その差の大きさは １ρ１１−１ρ２１ として表わされ、その大きさは、 （ｌｒｐＨ１ｒｓ２１−ｌｒｐ２１１ｒｓｌｌｌ　／　Ｉｒ、１１Ｉｒ、２１と 等価である。偏光解析法によって成される測定は実際は両者の差であり、これは ｆｌｒ、１１１ｒ、２ｌ−ｌｒ、２１１ｒ、Ｉｌｌ　／　ｌｒ、ｌｌ１ｒ、２１ 及びδ△をエリプソメーターから直接測定するように構成することで達成される 。

それゆえ、本発明を用いれば、領域は高精度で測定されるべき基準点を選択し、 基準点と他の点の間のρにおける差を測定するために他の点を走査することによ って、領域がカバーされる。基準点と他の点との差は、走査することによりある いはビーム拡張法により増幅されてもよい、この差の情報は、基準点及び測定点 からの反射波のＰ及びＳの偏光状態が入れ替わる作用によって得られる。それゆ え、本発明を用いれば、約１秒の時間で数ｃｍ”にわたる面積の屈折率の均一性 を高い精度で測定する能力がある。

必要な差の情報は、最終出力ビーム９からいくつかの方法によって分離すること ができ、これらは次のようなものを全であるいはいくつか包含している。即ち、 ビーム３の位相変調、ビーム８の位相変調、及びビーム４の周波数のシフトであ る。最終出力ビーム９を適当な光検出器で検出した後は、（例えばサンプリング 及びフーリエ変換のような）適当な手段によってスペクトル解析が行われ、適当 な周波数成分の係数が差の情報及び基準点における絶対情報の両方を与える。

そのビームの偏光解析上の差の情報は、基準点及び第２の点からの反射波のＰ及 びＳの偏光状態を入れ替えることによって得らは、第２の領域によって与えられ た変化によってほぼ打ち消される。この同じ種類の比較は、多くの第２の領域に 対して同時に行われる。なぜなら、第２の領域で相互に作用するビームは、基準 点での小さなビーム直径について拡張されたビームであることが保証されるから である。このビーム直径の変化は、例えば光の偏光状態の変化を最小にしつつ、 十分犬きな焦点距離を有するレンズを用いて行うことができる。

エリプソメーターの例は、文献（Ｈａｚｅｂｒｏｅｋ　ａｎｄ　Ｈｏ１ｓｃｈｅ ｒＪ、Ｐｈｙｓ、　Ｅ：Ｓｃｉ、　Ｉｎ５ｔｒ、６．８２２　［１９７３］　１ に記載されているのが知られている。しかしこれらには差の量を測定しようとす る試みがなされていない０文献（Ｔ、５ａｎｄｓｔｒｏＩＩｌ：Ｊｏｕｒｎａｌ 　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ、Ｃｏ１１ｏｑｕｅＣ１０，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　 Ｎｏ、１２．ＴＯＭＥ４４．Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９８３）に差の量を測定するエ リプソメーターの例があるが、しかし、これらは完全には差の情報を測定するも のではない。

本発明の一形態がある程度詳細に記載されたけれども１本発明がそれによって制 限されるものではなく、本発明の精神及び範囲の中で様々な改変を完全に包含し ていることを理解すべきである。

ｍ− 虚軸（Ｐ） 国際調査報告 に８匠χＴつフ二ｐぬＥ只但Ｃ〕α記、９シζ〔り尺コζＲＴα。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．表面上のエピタキシャル成長を測定する方法において、その表面から入射ビ ームを反射させるステップ、その光ビームをその表面全体に走査しあるいは拡張 するステップ、及びその表面上のある領域（基準点）から得られた光ビームに関 する偏光解析情報をその表面上の他の点から得られた光ビームに関する偏光解析 情報と比較するステップを包含する方法。
2. ２．前記表面から反射した光ビームが、Ｐ及びＳの直線偏光状態が入れ替わって 同じ入射角度でその表面上の他の点に戻ってくる請求項１記載の方法。
3. ３．前記入射光ビーム及び前記他の点から反射したビームが、ビームスプリッタ ーを通過し、前記ビームスプリッターからの入射ビームがビームスプリッターに 戻され、その他の点からの出力光ビームがその入射ビームの一部と干渉するよう に導かれる請求項２記載の方法。
4. ４．表面上のエピタキシャル成長を測定するデファレンシャルエリプソメーター であって、光ビームをその表面のある点に入射させる手段、その反射ビームをＰ 及びＳの直線偏光状態を入れ替えて前記表面上の他の点に戻す手段、及び前記他 の点から反射された出力ビームを測定あるいは解析のために前記入射ビームの一 部と干渉するように導く追加手段を包含しているエリプソメーター。
5. ５．前記反射ビームを戻す手段が、プリズムを包含している請求項４記載のデフ ァレンシャルエリプソメーター。
6. ６．前記追加手段がビームスプリッターを包含し、前記入射ビームから分離した 入射ビームの一部が前記ビームスプリッターへプリズムによって戻され、出力ビ ームと干渉するように導かれた請求項４記載のデファレンシャルエリプソメータ ー。
7. ７．添付図面を参照して、また添付図面に図示してほぼ前述したデファレンシャ ルエリプソメーター。